התאים עובדים בלילה

פיתוח טכנולוגי חדש מבקש לפתור את אחת הבעיות העיקריות של הפקת אנרגיה סולארית: מה עושים כשהשמש כבר שקעה?

רן בן מיכאל, זווית – סוכנות ידיעות למדע ולסביבה

הביקורת העיקרית שנמתחת על מעבר נרחב לייצור אנרגיה מתחדשת מאור השמש (סולארית) היא חוסר הרציפות בייצור שאינו פעיל כלל בשעות החשיכה ומשתנה גם לאורך שעות האור על פי עוצמת השמש (למשל זריחה ושקיעה לעומת שעת הצהריים) וכיסוי העננים. זהו כמובן גורם מגביל משמעותי בהסתמכות על אור השמש כמקור אנרגיה עיקרי. עם זאת, פרופ’ ג’רמי מונדי, חוקר באוניברסיטת דיוויס בקליפורניה, סבור שהוא מצא פתרון.

על אף שמחיר הפקת האנרגיה ממקורות מתחדשים ירד פלאים בשנים האחרונות ועלותם נמוכה לרוב מזו של מקורות קונבנציונליים (בעיקר כאשר מדובר על שדות סולאריים גדולים וטורבינות רוח יבשתיות), לתאים פוטו-וולטאים יש שלוש מגבלות ביישום נרחב. הראשונה היא בעיית האחסון, שאופיינית גם לאנרגיה המופקת מרוח או מגלים, היא בעיית האחסון: הייצור הוא רציף אך עם פיקים, כשמקור האנרגיה זמין (רוח, שמש, גלים וכו’), אך לא ניתן כיום לאגור כמויות אנרגיה משמעותיות שיספיקו לעיר מודרנית גדולה או למדינה קטנה ולספק את האנרגיה כאשר יחס הייצור והביקוש מתהפך. הבעיה השנייה היא שהיעילות האנרגטית של הפאנלים היא נמוכה ושהם משתמשים בפחות מ-30 אחוז בממוצע מאנרגיית השמש שמגיעה אליהם (בנוסף, לאורך זמן יעילות הפאנלים המותקנים פוחתת). הבעיה השלישית באה לידי ביטוי בעת כיסוי עננים, הצללה, וכמובן, במהלך שעות החשיכה. בכל התנאים האלה, התאים פועלים בניצולת נמוכה במיוחד או לא מפיקים אנרגיה כלל.

על שתי הבעיות הראשונות ניתן להתגבר עם פיתוחים טכנולוגיים או אופטימיזציה של היישומים בשטח. לדוגמא, בראשית מרץ פרסמו חוקרים מאוניברסיטת קולורדו ומוסדות נוספים במגזין סיינס, על פריצת דרך משמעותית בשיפור היעילות של הפאנלים באמצעות צימוד של תאי הסיליקון הנפוצים לשכבות של תערובת יסודות הלוגנים המכילה יוד, כלור וברום, שזולה וקלה לייצור. לעומת זאת, את הבעיה השלישית כבר קשה יותר לפתור.

פרופ’ ג’רמי מונדי, מומחה להנדסת חשמל ומחשוב באוניברסיטת דייוויס, הציע לאחרונה תפיסה חדשה שפורסמה בכתב העת המדעי “פוטוניקס” של האגודה האמריקאית לכימיה ושעשויה לאפשר להפיק אנרגיה מתחדשת גם בלילה.

תא סולארי רגיל מורכב מחומרים הקולטים את אנרגית האור (פוטונים) והופכים אותה לזרם חשמלי בתהליך פוטו-וולטאי. במקום זה, מציע מונדי להפוך את המנגנון ולנצל את הקרינה הנפלטת בשעות החשיכה מהגוף החם (כדור הארץ) אל הגוף הקר (שמי הלילה) כדי לייצר אנרגיה.

התא מהסוג החדש (תא תרמו-רדיאטיבי כלומר מבוסס קרינת-חום) יפנה במקרה זה אל פני השטח של כדור הארץ ויקלוט קרינה אינפרה-אדומה שתהפוך לזרם החשמלי.

אנטי-סולאריים

בינתיים הפאנלים הללו – המכונים “אנטי-סולאריים” – נמצאים רק בשלב בניית המודל הראשוני (אבטיפוס). עד כה, החוקרים הצליחו להפיק מהם כמות אנרגיה נמוכה יחסית – כ-50 וואט למטר רבוע בתנאים אידיאליים, כרבע משל התאים הפוטו-וולטאיים הרגילים – זאת משום שפוטנציאל האנרגיה של קרינה תת-אדומה הוא נמוך יותר.

עם זאת, חשוב לזכור שהתפוקה הנמוכה היא בעיה קטנה יחסית. עצם היכולת להוסיף ולייצר חשמל בלילה – לצד שיפורי יעילות שאפשר לצפות להם גם כאן – אמורה – במידה והטכנולוגיה תעבור בהצלחה תהליכי גימלון ותראה ביצועים טובים גם מחוץ למעבדה – להיות השינוי המשמעותי ביחס לחוסר היכולת לייצר חשמל בחשיכה באמצעות גלי אור כיום. בנוסף, במידה ויהפכו לטכנולוגיה זמינה ויעילה, לתאים אנטי-סולאריים יש פוטנציאל מסוים לצמצם את הצורך להשקיע בפתרונות לאחסון אנרגיה, משום שניתן יהיה לעבור לייצור אנרגיה במשך היממה כולה (גם אם בהספק נמוך יותר).

הצוות של מונדי לא לבד בחדשנות הסולארית. כך, למשל, צוות חוקרים בינלאומי פירסם בנובמבר 2019 רעיון דומה למדי: גם במקרה זה הפאנל (תא תרמו-אלקטרי) מנצל את הפרש הטמפרטורות (מפל החום) בין כדור הארץ לבין שמי הלילה כדי להפיק את אנרגיית חשמל. גם ביישום זה היקף היצור התיאורטי היה מוגבל ל- 4 W/m2 בלבד (קטן משמעותית אף מזה של התא האנטי-סולארי השני) וסיפק אנרגיה רק לנורת LED צנועה.

ניצול בדרכים שונות של הפרשי החום בלילה כדי להרחיב את המנעד האנרגטי של פאנלים סולאריים אינו הכיוון היחיד. לפני כשנתיים, פיתח צוות סיני דגם ראשוני של תא סולארי המצופה בשכבה כפולה של פולימר שקוף; כאשר טיפות מים מתגלגלות על הפולימר, החיכוך יוצר זרם חשמלי בתא. פיתוח המעבדה, שפורסם בכתב העת המדעי “ננו” , מבוסס על גישת התא ההיברידי – במקרה זה, יכולת המרה של אנרגית תנועה כאשר מעונן ויורד גשם לצד הפקת אנרגיה סולארית כאשר השמש זורחת.

המטרה: אספקה רציפה

אם וכאשר פיתוחים כאלו ייצאו מהמעבדה ויתפקדו בהצלחה ובסקאלה גדולה גם בעולם האמיתי, כך שפאנלים סולאריים יפעלו באופן רציף, תוך המרה של מספר צורות אנרגיה לחשמל, מקורות מתחדשים אולי יצעדו את הצעד הטכנולוגי האחרון הנדרש להם כדי להגיע למטרה: אספקה רציפה של אנרגיה מתחדשת. מה שיישאר זה כנראה להתגבר על המגבלה האנושית: בארה”ב למשל גדלות ההתנגדויות ליישום פרויקטים של אנרגיה מתחדשת מצד בעלי קרקעות פרטיים, ועל אף השאיפה הציבורית לצמצם את זיהום האוויר ולהאט את קצב משבר האקלים הן נותרות כמכשלה בהרחבת ההפקה המתחדשת.

“הרעיונות העומדים בבסיס ההצעות הללו הם מעניינים מאוד ויכולים לדחוף קדימה את המחקר והפיתוח בתחום ניצול אנרגיית השמש”, אומר ד”ר שרון סורוקר, יועץ ומרצה בתחום האנרגיה המתחדשת, “אולם בפני ההמצאות הללו עומד מבחן ההיתכנות הכלכלית: יש כאן סוגיות של עלות החומרים והייצור של הפאנלים והשגת יעילות טובה. הרעיונות החדשים אינם נותנים מענה לחסרונות אחרים של סולארי קונבנציונלי, כמו כיסוי עננים. רעיונות כאלו מתחרים במיוחד מול פיתוחים אחרים של אגירת אנרגיה, שיש לה יתרונות אחרים כמו ייצוב רשת החשמל, מענה לשעות ביקוש שיא או למקרי חירום. לכל היותר מסתמן כי פתרונות אנטי-סולאריים יוכלו להקטין את הצורך באגירה עבור שעות הלילה. זה בהחלט דבר רצוי, אבל רק כחלק מתמהיל פתרונות רחב יותר”.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• יש חדש תחת השמש
• מערכת ראשונה מסוגה לפיצול מים למימן וחמצן בעזרת אנרגיית השמש – בשני אתרים נפרדים
• נחשף חלק חיוני נוסף בתהליך הפוטוסינתזה